CPU做一个超强单核不行吗？技术可以实现吗？

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cpu的的单核性能有多重要，这个不用再重复了，但是cpu的单核性能可以无限增加下去吗？回答这个问题之前，先说一个小故事吧。

很多年前via威盛还可以跟英特尔硬刚，那时候是pentium 4时代，英特尔在cpu频率不断突破1ghz、2ghz、3ghz之后要做更高频率的cpu，放言称奔4频率上4ghz，后来就有了英特尔前任ceo巴瑞特下跪的一幕，因为英特尔在奔4时代并没有如承诺的那样推出4ghz高频的产品。

但是很多人不知道的是，4ghz并不是英特尔当时的最终目标，2001年的idf会议上英特尔曾经表示奔4处理器可以上10ghz频率。如今18年过去了，这个目标一直都没实现，（硅基时代）可能永远都无法实现了。

这件事就能说明cpu频率不是想提升就提升的，奔4时代过去这么多年了，其实cpu的主流频率依然在4ghz左右，英特尔虽然在酷睿i7-8086k上首次实现官方5ghz频率，但绝大多数处理器日常使用的频率都没这么高，高负载下频率在4ghz出头就不错了。

制约单核性能超强的cpu出现的第一个问题就是频率无法大幅提升，而这个因素也跟现在的制程工艺有关，实质上是摩尔定律已经失效了，这个影响了半导体行业50年的金科玉律随着硅基芯片物理极限的到来已经失效了，从28nm节点之后其实就没有带来很大的性能改进了，而且功耗问题也越来越严重。

大家都知道理论上制程工艺越先进（制程数字越小），cpu性能会更高，功耗、发热会更低，但是实际上这个问题很复杂，cpu的功耗可以分为静态功耗（static power）及动态功耗（dynamic power），前者主要是漏电流引起的，制程越先进，漏电流又有增加的趋势，而动态功耗可以用1/2*cv2f这个公式来计算，f频率越高，动态功耗就越高。

为了上更高的频率，电压增加不可避免，但电压高了功耗也高了，总之静态功耗、动态功耗的存在就决定了cpu频率越高，功耗就会极速增加，将会严重影响处理器的性能表现，因为要降频。

说到这一点，英特尔的14nm工艺虽然被人调侃挤牙膏，但从技术上来说真的很牛了，从skylake架构的第一代14nm到现在coffee lake的14nm++工艺，性能提升26%，或者功耗降低52%，在不改变基本结构的情况下这个成绩很难得。

制程工艺的放缓导致cpu频率不可能大幅提升，有很多人会想到那么有没有非常牛的cpu架构让ipc性能大幅提升呢？理论上这种思路是可以的，但是现实很残酷，cpu架构还是要服从半导体工艺物理定律的，没有先进的工艺，再好的cpu架构也不可能实现。

此外，即便不考虑工艺对cpu架构的影响，单纯说cpu架构的话，不论是x86还是arm架构，在64位时代cpu单元不外乎就是alu单元、缓存、i/o等子单元， 但是不论提升那部分单元，归根到底还是要算到晶体管数量上来，还要考虑提升导致的成本——这个成本不只是钱的问题，比如提升l1/l2/l3缓存可以提高性能，但是缓存占用的核心面积很大，而且还有命中率及命中惩罚的问题，不是随便加加单元就行的。

此外，cpu的内部还可以分为整数部分、浮点部分，前者对日常使用很重要，浮点性能对计算更重要，但cpu的浮点性能并不是日常所需的，所以大家普遍感觉不到这部分的提升。

公平地说，近年来cpu浮点单元的进步是符合题目所说的单核超强的要求的，因为从sse到avx到avx2再到最新的avx-512，cpu浮点性能是有大幅提升的。如英特尔所说：“借助多达两个512位融合乘加 (fma) 单元，应用程序在512位矢量内的每个时钟周期每秒可打包32次双精度和64次单精度浮点运算，以及八个64位和十六个32位整数。因此，与英特尔高级矢量扩展 2.0（英特尔 avx2）相比，数据寄存器的宽度、数量以及fma单元的宽度都增加了一倍。”

但是前面也说了，cpu的浮点性能不是日常所需的，整数性能更加重要一些，但是整数单元性能提升就没这么明显了，导致很多人以为cpu架构多年来挤牙膏。